智能京张高速铁路总体创新设计

王洪雨

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 项目背景

为了推动高速铁路发展和铁路网整体布局,国家制定了《中长期铁路网规划》,在建设过程中根据我国国民经济发展需求,不断优化修订,形成了2004年、2008年调整、2016年三个规划版本,其中在2008年调整版的“四纵四横”高速铁路网基础上进一步深化为2016年版的“八纵八横”高速铁路网[1],在历次版本中均有(北)京兰(州)通道的总体规划,北京至张家口高速铁路(以下简称“京张高铁”)是京兰通道的重要组成部分。

2 项目概况

2.1 研究过程

2008年12月,京张高铁项目预可研工作正式启动；2009年3月至7月,分别完成初测及可研工作、定测及初步设计工作；2010年7月,项目建议书批复；2015年9月,项目可行性研究报告批复；2015年11月,初步设计批复；2016年3月,完成全线招投标工作,全线工程开工建设；计划2019年底建成通车。

2.2 工程概况

京张高铁位于北京市西北、河北省北部,本线起自北京北站,经北京市海淀、昌平、延庆三个区,跨官厅水库,河北省怀来县、下花园区、宣化区,西迄张家口站。正线全长174 km,其中北京市境内70 km,河北省境内104 km。桥梁总长66 km,隧道总长49 km,桥隧比为66%。全线共设北京北、清河、八达岭长城(地下站)、张家口等10座车站,其中北京北、清河、张家口为始发终到站。崇礼铁路自京张高铁下花园北站接轨,途径下花园区、宣化区、赤城县、崇礼县,大致呈南北走向,向北越岭至太子城村设太子城站,预留进一步向锡林浩特方向延伸的条件,线路全长53 km,桥梁长度16 km,隧道长度23 km,桥隧比74%。京张高铁及崇礼铁路线路平面示意见图1。

图1 京张高铁及崇礼铁路线路平面示意

2.3 主要技术标准(表1)

表1 京张高铁及崇礼铁路主要技术标准

2.4 项目社会效益分析

京张高铁是国家“八横八纵”高速铁路之京兰通道的重要组成部分,与崇礼铁路共同构成京津冀城际铁路网的重要组成部分,兼顾北京市郊客运功能,同时也是国家举办2022年冬奥会的重要配套基础设施。项目建成后,对于促进京津冀地区协同发展,为2022年冬奥会赛事举办提供交通保障,带动沿线地区人员交流与旅游资源开发等具有重要意义；同时作为京兰通道重要组成和京昆通道有机组成,对于构建西北宁夏及蒙西、晋北地区快速进京通道,实现北京与张家口城际交通联系,满足延庆与北京市区市郊通勤等具有重要作用。

3 创新设计

3.1 总体创新思路

一项工程的整体水平首先要看设计,设计是所有工作的灵魂和源头,所以设计工程师在这方面下了很大的工夫,要创新首先应该在理念上做足功课、下大力气。铁路运输的本质和目标是什么？就是更好地为人民服务,所以铁路的设计、建设要始终坚持“不忘人民铁路为人民的初心,牢记打造高标准铁路产品的使命”,特别是在新时代要充分体现高铁客站建设的“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”十六字的新理念；另外，无论是路基、桥梁、隧道等线下工程还是通信信号等四电工程都有创新的设计,如在京张高铁设计中实现了首座满足开行时速350 km的高速铁路钢桁梁桥—官厅水库特大桥；为了最大限度方便游客游览八达岭长城,在轨面埋深达102 m的地下设置了建筑面积约4万m2的大跨度复杂洞室结构的八达岭长城地下高铁车站；跨越京藏高速公路的土木特大桥采用墩顶转体设计技术获得了国家发明专利；城区内清华园盾构隧道的全预制拼装设计大大提高了施工效率,节省了工程投资,减少对周边环境的影响,洞内施工环境也极大改善；路基边坡采用一体化的生态护坡系统[2],主要由锚杆、土工格室、立体防护网、雨水收集及智能灌溉组成；综合视频一体化的系统设计；世界上首次实现的时速350 km自动驾驶技术(C3+ATO)[3]；全寿命周期的BIM设计[4-5]；太子城车站是世界上首个直达奥运赛场的高铁车站,旅客到达即置身于赛区之中。

3.2 因地制宜,技术标准选择多样化

以往的铁路设计原则上一条线一个标准,在京张高铁设计中打破常规,结合项目沿线周边环境、地形地貌特点、各方要求,因地制宜的合理选择不同的技术标准,京张高铁全线涵盖了我国目前铁路客运时速120～350 km的全系列标准。其中设计时速200 km及以下标准线路占比18%,设计时速250 km标准线路占比46%,最高设计时速350 km标准线路占比36%[6-7]。如果说老京张铁路是“近代铁路发展的里程碑”,那么新京张高铁堪称“当代铁路建设的教科书”。京张高铁线路分段采用不同技术标准情况见图2。

图2 京张高铁线路分段采用不同技术标准情况示意

3.3 全面实现精品工程

精品工程就是通过精心组织、精心设计、精心施工,打造出来的卓越不凡、品质一流工程,其具有设计新颖,巧夺天工；安全可靠,适应性强；技术先进,质量无缺陷,经得起时间和历史的检验；用户满意,社会认可等特性和特点。通俗讲就是要实现实体工程的“内实外美”,既要保证工程质量,又要在外观上给人耳目一新的感受。京张高铁着力打造了以90项工点为代表的精品工程品牌。

3.4 世界首条智能高铁

智能高铁[8]较为正式的定义是将云计算、物联网、大数据、移动互联网、BIM等先进的现代化技术,运用到高铁的建设和运营中,推动铁路从数字化向智能化方向发展[9],实现铁路设备设施更加安全可靠,运营管理更加经济高效,客货服务更加温馨便捷,展现中国铁路良好的社会形象。通俗的解释就是实现旅客体验的温馨便捷。京张高铁的智能设计可分为智能建造[10-11]、智能列车、智能运营[12]三个部分,比如工程建设过程中采用的清华园盾构隧道全预制拼装结构、八达岭地下车站的精准微损伤控制爆破技术、路基排水沟的滑模施工技术、桥梁的墩顶转体技术等；以及智能大脑,工务、电务、供电系统智能管理与运维,刷脸进站,站内机器人智能导航,wi-fi的全覆盖,全方位的资讯服务等,在高铁列车上就能看奥运直播,让旅客有一种全新的体验。

3.5 全面贯彻绿色、环保、文保发展理念

京张高铁设计全过程遵循绿色的办奥理念。全线开展了绿色景观设计,结合京张沿线自然环境,创新性地提出了将全线划分为五大景观分区：城郊风光、关塞风光、大泽风光、燕北风光、雪国风光(图3),每个景观分区都有代表性的工点,同时以京张高铁的设计为依托,打造制定了《铁路工程绿化设计和施工质量控制标准(北方地区)》的新标准；为了不对官厅湖环境产生任何影响,专门设计了官厅桥雨水收集系统,铁路桥上的自然降水不会直接流入官厅湖,而是通过桥上排水系统收集到官厅湖两岸的蒸发池中；清河站[5]采用了再生材料,通过采光管节约能源,还设计了密闭管道垃圾输送系统,可直接将垃圾通过管道输送到市政排污系统中；京张高铁所有车站均达到二星绿色铁路客站标准,通过细化设计,清河站和太子城站在原二星的基础上达到了三星绿色铁路客站标准,清河站同时符合LEED GOLD(绿色能源与环境设计先锋奖金奖)标准[13]；清河站设计在老站房原位新建车站,本着对历史的尊重,也为了有效地保护清河老站房,设计采用了不拆除一砖一瓦的整体平移技术, 建成后新、老站房将相互呼应,共同见证铁路发展的百年沧桑。

3.6 首次提出文化概念的高速铁路

在京张高铁首次提出了文化设计的概念,同步开展了全线的“一站一景”设计,顾名思义,每一个车站都是一处风景；除车站以外还对重点的隧道洞门、全(半)封闭声屏障、官厅特大桥的景观照明等进行了专项设计,使京张高铁成为一道高速飞驰的靓丽的风景线。与清华大学等高等院校合作打造并落位文化京张,使旅客在乘坐高铁的同时感受中国文化、长城文化、京张文化。

图3 京张高铁景观分区示意

京张高铁与老京张铁路在同一个起点、同一个终点、同一条路径,新的京张高铁将老京张铁路融入其中(图4),特别是在北京北至昌平一段,老京张铁路已成了京张高铁不可分割的一部分,京张高铁再一次赋予了老京张铁路新的生命。110年前建成的老京张铁路以著名的“人”字线(又称“之”字线)实现了创新,挺起了当时民族的脊梁,110年后的今天京张高铁的修建,将“人”字发展为“大”字, 预示着伟大祖国必将更加强大、繁荣昌盛。

图4 京张高铁、老京张铁路融为一体

图5 八达岭长城站

4 典型工程

通过前文的介绍,相信读者能大概了解到京张高铁创新设计的特别之处,在此列举一部分能够体现上述特点的典型工点图片(图5～图12)。主要有八达岭长城站、官厅水库特大桥、清华园大直径盾构隧道、太子城站、清河站等。

图6 八达岭隧道进、出口效果图

图7 清华园盾构隧道全预制拼装结构

图8 太子城站

图9 石质路堑生态护坡

图10 生产生活房屋景观设计

图11 官厅水库特大桥照明景观设计(实景)

图12 清河站主体钢结构细部BIM设计

5 结语

中国铁路的发展已经进入了高质量发展的新阶段,由数字化向智能化转变也是大势所趋,京张高铁作为我国智能高铁的1.0版仅是一个新的开端,随着科学技术的不断进步,相信铁路会越来越智能,旅客体验也会越来越温馨便捷,这就要求设计从源头要更新理念,更加以人为本。京张高铁在设计理念上全面创新,从契合绿色办奥理念、灵活选用技术标准、打造绿色环保人文高铁、实现“精品工程、智能京张”目标等方面入手更新传统设计理念,为实现铁路的可持续发展提供有效保障,京张高铁将成为新时代中国铁路继京沪高铁、青藏铁路之后又一个划时代、里程碑式的铁路工程。希望今后的铁路设计能以京张高铁为一个新的开始,不断完善、丰富,为实现“交通强国、铁路先行”的中国梦增光添彩。